(57)【要約】本発明は、周波数可同調回路を具えるアンテナデバイスを水中で動作させる方法であって、アンテナデバイスにより可変の方向性放射パターンを得るために、周波数可同調回路を第１の周波数及び第２の周波数間で同調させるステップを具え、第１の周波数及び第２の周波数を、水の塩水‐淡水含有量に応じて、２つの周波数のうちの一方に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが指向性であり、２つの周波数のうちの他方に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが無指向性であるように予め決定する方法と、前記回路を周期的に同調させて、アンテナデバイスの方向性放射パターンを、他のアンテナデバイスとの無線信号結合を改善するように、特に他のアンテナデバイスとの無線信号結合を最大にするように選択する構成配置としたアンテナデバイスとを提供する。
2019526985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数可同調回路を具えるアンテナデバイスを水中で動作させるアンテナデバイス水中動作方法であって、前記アンテナデバイスにより可変の方向性放射パターンを得るために、前記周波数可同調回路を第１の周波数及び第２の周波数間で同調させるステップを具える当該アンテナデバイス水中動作方法において、
前記第１の周波数及び第２の周波数を、水の塩水‐淡水含有量に応じて、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の２つの周波数のうちの一方の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが指向性であり、これら２つの周波数のうちの他方の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが無指向性であるように予め決定するアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナデバイス水中動作方法が、他のアンテナデバイスと通信するために、アンテナデバイス間を結合する無線信号を改善するために、特に２つのアンテナデバイス間を結合する無線信号を最大化するために、アンテナデバイスの方向性放射パターンを選択するように前記周波数可同調回路を同調させるステップを具えているアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のアンテナデバイス水中動作方法において、
前記２つの周波数のうちの一方の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが指向性であり、これら２つの周波数のうちの他方の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが無指向性であるようにするアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載のアンテナデバイス水中動作方法において、
前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンの放射パターン最大値が前記第１の周波数及び前記第２の周波数間で９０°のシフトを有しているアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載のアンテナデバイス水中動作方法において、このアンテナデバイス水中動作方法が、個々のステップにおいて前記周波数可同調回路を前記第１の周波数及び前記第２の周波数間で同調させ、前記アンテナデバイスの指向性パターンが
個々のステップにおいて前記第１の周波数及び前記第２の周波数間で同調されるようにするステップを具えるアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項６】
淡水中に沈めたアンテナデバイスを動作させる請求項１〜５の何れか一項によるアンテナデバイス水中動作方法において、前記第１の周波数を１１．１ＭHzよりも低くし、第２の周波数を１１．１ＭHzよりも高くして、前記第１の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが指向性で、前記第２の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが無指向性となるようにし、特に、前記第１の周波数を８３４ｋHz又は１．６８ＭHzとし、前記第２の周波数を１９ＭHz又は３０ＭHzとするアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項７】
塩水中に沈めたアンテナデバイスを動作させる請求項１〜５の何れか一項によるアンテナデバイス水中動作方法において、前記第１の周波数を８８８ＭHzよりも低くし、前記第２の周波数を８８８ＭHzよりも高くして、前記第１の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが指向性で、前記第２の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが無指向性となるようにし、特に、前記第１の周波数を２８６ＭHz又は４５３ＭHzとし、前記第２の周波数を１ＧHz又は２．１６ＧHzとするアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載のアンテナデバイス水中動作方法において、前記第１の周波数を１１．１ＭHzよりも低くし、第２の周波数を８８８ＭHzよりも高くして、前記アンテナデバイスが淡水中に沈められているか又は塩水中に沈められているかに拘らず、前記第１の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが指向性で、前記第２の周波数に対する前記方向性放射パターンが無指向性となるようにするアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載のアンテナデバイス水中動作方法において、前記アンテナデバイスをダイポールアンテナ又はループアンテナとし、特に前記アンテナデバイスをＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルネットワークで用いるアンテナデバイス水中動作方法。
【請求項１０】
周波数可同調回路を具える水中無線通信用のアンテナデバイスであって、前記周波数可同調回路は、前記アンテナデバイスにより可変の方向性放射パターンを得るために第１の周波数及び第２の周波数間で同調しうるようにした当該アンテナデバイスにおいて、
前記第１の周波数及び前記第２の周波数は水の塩水‐淡水含有量に応じて決定され、前記アンテナデバイスが前記塩水‐淡水含有量の水で水中にある際に、これら第１の周波数及び第２の周波数の２つの周波数のうちの一方の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが指向性であり、これら２つの周波数のうちの他方の周波数に対する前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンが無指向性であるようにするアンテナデバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載のアンテナデバイスにおいて、このアンテナデバイスは、前記周波数可同調回路を周期的に同調させて、このアンテナデバイスの方向性放射パターンを、他のアンテナデバイスとの無線信号結合を改善するように、特に他のアンテナデバイスとの無線信号結合を最大にするように選択する構成配置となっているアンテナデバイス。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載のアンテナデバイスにおいて、このアンテナデバイスを淡水又は塩水中に沈めた際に、前記アンテナデバイスの前記方向性放射パターンの放射パターン最大値が前記第１の周波数及び前記第２の周波数間で９０°のシフトを有するようにしたアンテナデバイス。
【請求項１３】
請求項１０〜１２の何れか一項に記載のアンテナデバイスにおいて、このアンテナデバイスをダイポールアンテナ又はループアンテナとし、特にこのアンテナデバイスをＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルネットワークアンテナデバイスとしたアンテナデバイス。
【請求項１４】
アンテナデバイスを水中で動作させる方法を実施させるプログラム命令であって、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法を実行しうる命令を含む当該プログラム命令を有する非一過性の記憶媒体。
【請求項１５】
請求項１４に記載の非一過性の記憶媒体を具えるアンテナデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中無線通信用アンテナ及びその対応する動作方法に関するものであり、特に、周波数可同調回路を具える水中無線通信用アンテナデバイスに関するものであり、このアンテナデバイスはこのアンテナデバイスにより可変の方向性放射パターンを得るために第１の周波数及び第２の周波数間で調節可能となっており、このアンテナデバイスの方向性放射パターンを選択して他のアンテナデバイスとの無線信号結合を改善するようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
水環境を監視する必要性や、水中ビークル間の又は水中ビークルとの信頼性のある通信の必要性が、水中無線通信に関する広範な研究をもたらしたものである。これらの分野では、音響システム及び光学システムが最も頻繁に使用されているが、これらの双方の技術には無線周波数（ＲＦ）システムが有していない制限及び欠点が存在する。音響システムの最大の利点は達成できる距離が長いということであるが、その一方で、浅い水中ではその性能が悪くなり、使用する周波数が低いために海洋生物に関し影響があるおそれがあり、周囲の雑音レベルが通信性能に対する制限要因となる可能性がある。
【０００３】
光学システムは極めて近い距離で（ギガビット／秒のオーダーで）超高帯域幅を可能にするが、これらのシステムは濁りや粒子汚染の影響を極めて受けやすく、しかもこれらのシステムは見通し線を、従って、厳密な整列を必要とするものであり、このことは欠点となるものである。ＲＦシステムは、音響システム及び光学システムの双方の制限の幾つかを克服することができる。これらのＲＦシステムは濁りに影響されないという利点を有し、非見通し線で動作し、音響雑音の影響を受けず、極めて近い距離で（１００メガビット／秒までで）高帯域幅を可能にする。
【発明の概要】
【０００４】
本発明では、共振周波数、入力インピーダンス及び放射パターンのような水中アンテナの主要な放射パラメータを、アンテナが配置されている媒体の導電率に応じて如何に劇的に変化させるかを開示する。更に、放射パターンは共振周波数に応じて変化するようにする。すなわち、淡水／海水では、媒体がアンテナの共振周波数で誘電性であるか又は導電性であるかに応じて、同種のアンテナが異なる放射パターンを有するようにしうる。従って、このようにすることは、例えば簡単な電子回路を用いてアンテナの共振周波数を調整することによって、ある種類の水中媒体内に配置されたアンテナの放射図の制御を達成する上で有利となりうるものである。このことは、例えば、ＡＵＶ（自律型水中ビークル）が移動するにつれて放射図を最も良好に連続調整することによって、この移動ＡＵＶと固定プラットフォームとの間の水中通信を改善するのに利用することができる。
【０００５】
本発明と関連して調査した重要な用途は、淡水及び海水においてソフトウェア無線を用いてＶＨＦ（超短波）、ＵＨＦ（極超短波）及びＳＨＦ（センチメートル波）帯域でＩＥＥＥ８０２．１１ネットワークを実現することにある。しかし、これらの媒体に対しては、アンテナ設計の効果の解析は殆ど存在していない。本発明では、ＲＦ水中通信システム用のアンテナ、特にダイポールアンテナの設計を短距離通信に対し、現在の音響システムに代わる良好な代替案として開示する。更に、アンテナの特性に対する媒体の導電率の効果も、模擬研究及び実験研究により評定する。
【０００６】
電磁波の伝搬に最適な媒体は、導電率がゼロ（σ＝０Ｓ／ｍ）である絶縁体である。これらの媒体では、電磁波は減衰されず、従ってこれらの媒体は無損失媒体として知られている。媒体の導電率が増大すると、電磁波の減衰も増大する。
【０００７】
淡水の導電率は０．００５〜０．０５Ｓ／ｍの範囲にでき、実際の値は塩分及び温度とともに増大する。従って、海水の導電率はより高くなその平均は４Ｓ／ｍである。
【０００８】
導電率がσであり角周波数をωとした媒体では、誘電率は複素数となり、以下の式（１）の値を有する。
【数１】
2019526985.tif 000003
ここで、ε0は真空の誘電率である。
【０００９】
水の比誘電率（εr）は、水温、塩分濃度及び伝搬周波数のような幾つかの要因に依存し、デバイモデルにより又はコール‐コール式（Cole-Cole equation）により表すことができる。本明細書では、淡水及び海水の双方に対し８１の比誘電率値を考慮した。その理由は、上述したモデルによれば、この比誘電率値が本発明の研究にとって興味のある周波数範囲における水の誘電率である為である。
【００１０】
水は磁気媒体ではない為、その比誘電率の値はμr=1である。従って、水の誘電率（μ）は自由空間の誘電率と同じである。
【００１１】
電磁波の伝搬は、如何なる媒体においても、以下の式（２）により与えられる伝搬定数γにより特徴付けられる。
【数２】
2019526985.tif 000004
ここで、α（Ｎp/m）及びβ（rad/m）は、それぞれ減衰定数及び位相定数であり、ωは角周波数である。
【００１２】
2019526985.tif 000005
淡水は１１．１ＭHzよりも低い周波数に対して導電体となり、海水の場合にはこの遷移点は８８８ＭHzに生じることが分かる。
【００１３】
電磁波が損失の多い媒体内を伝搬すると、この電磁波は減衰する。減衰量は周波数及び媒体の導電率（σ）とともに増大するため、ＲＦ水中通信システムにおいて適切な距離を達成するために如何に低周波数を用いる必要があるかが図２に示されている。
【００１４】
波長は、次式（３）
【数３】
2019526985.tif 000006
により規定されているとともに、３種類の媒体に対し周波数の関数として図３に示してある。波長の特性は、導電性媒体から誘電性媒体への遷移が生じる周波数で変化し、この遷移点からのこの特性は（同じ誘電率を有する）無損失媒体における波長に等しくなることが分かる。
【００１５】
本発明では、周波数可同調回路を具えるアンテナデバイスを水中で動作させる方法であって、このアンテナデバイスにより可変の方向性放射パターン（すなわち、可変の好適な動作方向）を得るために前記周波数可同調回路を第１の周波数及び第２の周波数間で同調させるステップを具える方法を開示する。
【００１６】
周波数可同調回路の一具体例は、アンテナの共振周波数を調整しうるようにこのアンテナと直列又は並列に接続した容量調整可能キャパシタを具える回路である。この調整はマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラにより行うことができる。周波数可同調回路他の一具体例は、本明細書で開示する方法の１つを具体化するコンピュータプログラム命令を実行するデータ処理デバイスにより同調しうる回路である。
【００１７】
他のアンテナデバイスと通信するための一具体例は、アンテナデバイス間を結合する無線信号を改善するために、特にアンテナデバイス間を結合する無線信号を最大化するために、アンテナデバイスの方向性放射パターンを選択するように前記周波数可同調回路を同調させるステップを具えているようにする。
【００１８】
一具体例では、２つの周波数のうちの一方の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが指向性であり、これら２つの周波数のうちの他方の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが無指向性であるようにする。
【００１９】
一具体例では、前記第１の周波数及び第２の周波数を、水の塩水‐淡水含有量に応じて予め決定し、２つの周波数のうちの一方の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが指向性であり、これら２つの周波数のうちの他方の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが無指向性であるようにする。
【００２０】
一具体例では、アンテナデバイスの方向性放射パターンが第１の周波数及び第２の周波数間で９０°のシフトを有しているようにする。
【００２１】
一具体例は、前記周波数可同調回路を第１の周波数及び第２の周波数間で連続的に同調させて、アンテナデバイスの方向性放射パターンが第１の周波数及び第２の周波数間で連続的に同調されるようにするステップを具えるようにする。
【００２２】
一具体例は、個々のステップにおいて前記周波数可同調回路を第１の周波数及び第２の周波数間で同調させ、アンテナデバイスの方向性放射パターンが個々のステップにおいて第１の周波数及び第２の周波数間で同調されるようにするステップを具えるようにする。
【００２３】
淡水中に沈めた一具体例では、第１の周波数を１１．１ＭHzよりも低くし、第２の周波数を１１．１ＭHzよりも高くして、第１の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが指向性で、第２の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが無指向性となるようにする。
【００２４】
淡水中に沈めた一具体例では、第１の周波数を８８８ＭHzよりも低くし、第２の周波数を８８８ＭHzよりも高くして、第１の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが指向性で、第２の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが無指向性となるようにする。
【００２５】
一具体例では、第１の周波数を１１．１ＭHzよりも低くし、第２の周波数を８８８ＭHzよりも高くして、アンテナデバイスが淡水中に沈められているか又は塩水中に沈められているかに拘らず、第１の周波数に対するアンテナデバイスの方向性放射パターンが指向性で、第２の周波数に対する方向性放射パターンが無指向性となるようにする。
【００２６】
一具体例では、アンテナデバイスをダイポールアンテナ又はループアンテナとする。
【００２７】
一具体例では、アンテナデバイスをＩＥＥＥ８０２．１１プロトコルネットワークで用いるようにする。
【００２８】
本発明では、周波数可同調回路を具える水中無線通信用のアンテナデバイスであって、前記周波数可同調回路は、アンテナデバイスにより可変の方向性放射パターン（すなわち、可変の好適な動作方向）を得るために第１の周波数及び第２の周波数間で同調しうるようにした当該アンテナデバイスをも開示する。
【００２９】
一具体例は、前記周波数可同調回路を周期的に同調させて、アンテナデバイスの方向性放射パターンを、他のアンテナデバイスとの無線信号結合を改善するように、特に他のアンテナデバイスとの無線信号結合を最大にするように選択する構成配置とする。
【００３０】
前記周期的に同調は、例えば、１０秒毎の掃引（図８参照）を用いて実行しうる。この同調は２つのアンテナデバイス（送信機及び受信機）により同時に実行させて、双方のアンテナデバイスが常に同じ周波数を用いるようにする必要がある。最初に、デフォルト通信周波数（fa）を双方のアンテナデバイスにより知る必要がある。双方のアンテナデバイスは周期的に、これらの双方のアンテナデバイスが知った周波数掃引（f1，f2）でこれらアンテナデバイスの周波数可同調回路を連続的に又は離散的に同調させる。離散的な周波数ステップは、例えば、周波数掃引で使用すべき１ＭHz及び５ＭHz間に規定しうる。離散的な周波数ステップを用いることにより周波数掃引中に２つのアンテナを同期状態に容易に保つようになる。
【００３１】
周波数掃引は通常、第１の周波数（f1）から第２の周波数（f2）まで及び、好ましくは総計の掃引持続時間を、周期的に行う前記の同調間の期間、例えば、１００ms（ミリ秒）よりも極めて短くして、通信全体がこの掃引持続時間中に損失した時間により殆ど悪影響を受けないようにする。同調を行っている間に、一方又は双方のアンテナデバイスが受信した信号の強度を記録することができる。掃引の終了時に、結果を一方のアンテナデバイス（マスターアンテナデバイス）により分析し、前記周波数可同調回路を他の周波数に同調させるか否かに関して決定を行う。
【００３２】
この決定は、受信した信号の強度が現在の周波数で受信した信号の強度よりも高い周波数が見いだされたか、又は双方のアンテナデバイス間の受信した信号の強度の平均値が現在の周波数で受信した信号の強度よりも高いかに依存する。次に、この決定はマスターアンテナデバイスにより通常前記のデフォルト通信周波数又は現在使用している周波数を介して他のアンテナデバイス（スレーブ）に伝達され、双方のアンテナデバイスが同じ新たな周波数（fb）に変更されるようになる。この処理は周期的に繰り返すようにするのが好ましく、その後新たな周波数（fb）を更なる新たな周波数（fc）に変更するようにでき、以下同様に変更を行うことができる。
【００３３】
アンテナデバイスを動作させる方法によれば、双方のアンテナ間で同期した周波数において周波数掃引を周期的に行うとともに、これら２つのアンテナ間を結合する信号強度を最大にする周波数を前記周波数掃引から選択することにより、前記周波数可同調回路を周期的に同調させて、このアンテナデバイスの方向性放射パターンを選択して、他のアンテナデバイスとの無線信号結合を改善するようにこのアンテナデバイスを構成配置する。離散的な周波数ステップは、周波数掃引で使用すべき１ＭHz及び５ＭHz間に規定しうる。
【００３４】
可能な他の具体例では、双方のアンテナデバイスがこれらの回路を、例えば１ＭHz及び５ＭHz間に規定しうる離散的な周波数ステップ（図９参照）を考慮する逐次改善法により現在の周波数の直ぐ上の隣接周波数（f2）及びすぐ下の隣接周波数（f1）に周期的に同調させるようにする。最初に、デフォルト通信周波数（fa）を双方のアンテナデバイスにより知る必要がある。同調期間は、例えば１０秒とすることができる。使用すべき次の周波数はマスターアンテナデバイスにより決定する必要がある。
【００３５】
この周波数の決定は、検査した周波数（f1，f2）の何れかにおける受信した信号の強度が前の周波数（fa）での受信した信号の強度よりも高いか、又は双方のアンテナデバイス間での受信した信号の強度の平均値が検査した周波数において前の周波数での受信した信号の強度よりも高いかに依存する。次に、この決定はマスターアンテナデバイスにより通常前記のデフォルト通信周波数又は現在使用している周波数を介して他のアンテナデバイス（スレーブ）に伝達され、双方のアンテナデバイスがより一層良好な信号強度を生じる同じ新たな周波数（fb＝f1）に変更されるようになる。この処理は周期的に繰り返すようにするのが好ましく、その後新たな周波数（fb）を更なる新たな周波数（fc）に変更するようにでき、以下同様に変更を行うことができる。
【００３６】
アンテナデバイスを動作させる他の方法によれば、現在使用している周波数よりも低い周波数及び現在使用している周波数よりも高い周波数の、双方のアンテナ間で同期した周波数での周波数検査を周期的に行うとともに、これら２つのアンテナ間を結合する信号強度を最大にする周波数を前記の低い周波数及び前記の高い周波数から選択することにより、前記周波数可同調回路を周期的に同調させて、このアンテナデバイスの方向性放射パターンを選択して、他のアンテナデバイスとの無線信号結合を改善するようにこのアンテナデバイスを構成配置する。前記の低い周波数及び前記の高い周波数は、例えば現在使用している周波数よりも高い及び低い１ＭHz及び５ＭHz間に規定しうる離散的な周波数ステップを有するようにしうる。
【００３７】
他の具体例では、所定の水中状況において複数のアンテナデバイスが共存するものとする。このような場合、マスターアンテナデバイスは、特に１つの所定のスレーブアンテナデバイスに又は複数のスレーブアンテナデバイスの群に対し目標とする情報を送信することができる。スレーブアンテナデバイスの物理的な位置はマスターアンテナデバイスにとって知ることができる為、このマスターアンテナデバイスは、前記のデフォルト通信周波数での通信で先行しているはずのステップを、放射が実質的に目標とする方向に向けられる周波数に切換えることにより、目標とするスレーブアンテナを選択し、送信を同期させるために用いるべき次の周波数を表すようにする。
【００３８】
一具体例は、前記周波数可同調回路を第１の周波数及び第２の周波数間で連続的に同調させて、アンテナデバイスの方向性放射パターンが第１の周波数及び第２の周波数間で連続的に同調されるように構成配置する。
【００３９】
一具体例は、前記周波数可同調回路を第１の周波数及び第２の周波数間で離散的なステップで同調させて、アンテナデバイスの方向性放射パターンが第１の周波数及び第２の周波数間で離散的に同調されるように構成配置する。
【００４０】
淡水の場合、特に、第１の周波数を８３４ｋHz又は１．６８ＭHzとし、第２の周波数を１９ＭHz又は３０ＭHzとする。又淡水の場合、特に、第１の周波数を８３４ｋHz〜１．６８ＭHz間とし、第２の周波数をＭHz〜３０ＭHz間とする。
【００４１】
塩水の場合、特に、第１の周波数を２８６ｋHz又は４５３ＭHzとし、第２の周波数を１ＧHz又は２．１６ＧHzとする。又塩水の場合、特に、第１の周波数を２８６ＭHz〜４５３ＭHz間とし、第２の周波数を１ＧHz〜２．１６ＧHz間とする。
【００４２】
以下の図面は本発明を説明するための好適実施例を提供するものであるが、本発明の範囲を限定するものとみなすべきものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の研究で考慮する２種類の媒体（σ＝０．０５Ｓ／ｍ及びσ＝４Ｓ／ｍ）に対する周波数の関数としてのσ/ωε´の特性を示すグラフ線図である。
【図２】図２は、２つの異なる種類の媒体（σ＝０．０５Ｓ／ｍ及びσ＝４Ｓ／ｍ）において伝搬する電磁波の減衰量を示すグラフ線図である。
【図３】図３は、ε′＝８１を有する３つの異なる種類の媒体（σ＝０Ｓ／ｍ、σ＝０．０５Ｓ／ｍ及びσ＝４Ｓ／ｍ）において伝搬する電磁波の波長を示すグラフ線図である。
【図４】図４は、ダイポールアンテナ及びループアンテナの解析アンテナを示す線図である。
【図５】図５は、水の導電率に対する共振周波数の依存性を示すグラフ線図である。
【図６】図６は、水の導電率に対する共振時の入力インピーダンスの実数部の依存性を示すグラフ線図である。
【図７】図７は、共振周波数におけるアンテナ、すなわちダイポールアンテナ及びループアンテナにおける電流分布を示す線図である。
【図８】図８は、周期的な周波数掃引による周波数調整方法を示す線図である。
【図９】図９は、反復する周波数改善による周波数調整方法を示す線図である。
【図１０】図１０としての表Iは、３つの異なる周波数における３つの異なる種類の媒体に対するループアンテナの寸法を示す表である。
【図１１】図１１としての表IIは、３つの異なる周波数における３つの異なる種類の媒体に対するダイポールアンテナの寸法を示す表である。
【図１２】図１２としての表IIIは、３つの異なる種類の媒体に対するダイポールアンテナの放射パターンを３つの異なる周波数に対し示す表である。
【図１３】図１３としての表IVは、３つの異なる種類の媒体に対するループアンテナの放射パターンを３つの異なる周波数に対し示す表である。
【図１４】図１４としての表Ｖは、淡水における導電性媒体から誘電性媒体への遷移付近のループアンテナに対する放射パターンを示す表である。
【図１５】図１５としての表VIは、海水における導電性媒体から誘電性媒体への遷移付近のループアンテナに対する放射パターンを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
共振周波数と、入力インピーダンスと、放射パターンとに関して本発明の開示を具体化する２種類の異なるアンテナの性能を、ＦＥＫＯ（３Ｄ表示）電磁界シミュレータにおけるシミュレーションにより評価した。これらのアンテナは、半径を１６cmとしたループアンテナ及び長さを５０cmとしたダイポールアンテナである。これらの２種類のアンテナは図４に示してあり、厚さを５０μｍとするとともに比誘電率を３とした絶縁体で被覆された３mmの太さの単一銅線により構成されている。
【００４５】
これらの２種類のアンテナの広範囲の解析を、水中媒体内のこれらの放射特性に関して実行し、特に共振周波数及び入力インピーダンスの解析を実行した。図６及び図７は、水の導電率の関数としての２種類の主たるアンテナのパラメータの依存性を示している、すなわち、共振周波数とこの周波数におけるインピーダンスの実数部とをそれぞれ示している。これらの図から明瞭に分かるように、これらの双方のアンテナの共振周波数及び入力インピーダンスの双方が水の導電率に応じて大幅に変化する。これらの結果から、物理的に同じアンテナは更なる適応又は回路無しには共振周波数が比較的異なっている為に淡水及び海水の双方の環境にとって通常適さないと容易に結論しうる。更に、図７からは、アンテナを効率良く使用するためには、水の導電率に応じて異なるマッチング回路網を設計する必要があると結論付けることもできる。
【００４６】
図７は、共振周波数における双方のアンテナの電流分布を示している。本発明の開示では、λ／２のダイポールと円周の長さをλとした大きなループとを考慮している。
【００４７】
一実施例では、ＦＥＫＯにおけるシミュレーションにより双方のアンテナの近接場を解析する。近接場に対するシミュレーションは放射パターンを決定する意図ではアンテナからできるだけ離して行った。その理由は、損失の多い媒体では近接場パターンを直接測定できない為である。
【００４８】
放射パターンは３つの周波数（６００ｋHz、１００ＭHz、１ＧHz）及び３つの異なる媒体、すなわち（ε′＝８１とした）σ＝０Ｓ／ｍ、σ＝０．０５Ｓ／ｍ及びσ＝４Ｓ／ｍに対して得た。これらの周波数は、図１に示すように、１つの周波数（ｆ＝１ＧHz）、海水のみを導電性媒体とした他の周波数（ｆ＝１００ＭHz）及び最後に淡水及び海水の双方を導電性とした周波数（ｆ＝６００ｋHz）で全ての媒体が誘電性となるように選択した。
【００４９】
双方のアンテナの寸法は、これらのアンテナが前記の３つの周波数で共振してこれらのアンテナに図７に等しい電流分布を与えるように調整した。これらの寸法は、考慮した３つの媒体及び解析した３つの周波数に関してループ及びダイポールに対しそれぞれ表I及び表IIに示してある。
【００５０】
表III及び表IVはそれぞれループアンテナ及びダイポールアンテナに対する放射パターンを示しており、これらのアンテナは図４におけるのと同じ向きに配置してある。この場合も、アンテナの性能に及ぼす水の導電率の影響が分かる。誘電性媒体では、放射パターン最大値はｚ＋ 及びｚ− 方向に配向されており、一方、導電性媒体では、これらの放射パターンの最大値はループアンテナの場合に９０°だけシフトしている。媒体を導電性とした場合、ダイポールアンテナの場合にも放射パターンにおいて変化を観察することができる。他の種類のアンテナやそれぞれの組合せのアンテナも対応する放射特性を有する為、本発明の開示はダイポールアンテナ又はループアンテナに限定されるものではなく、ダイポールアンテナ及びループアンテナは説明上の実施例である。
【００５１】
放射パターンの変化をより一層良好に理解するために、導電性媒体と誘電性媒体との間の遷移周波数付近の解析を行った。表Ｖには、１１ＭHzに近い淡水中のループアンテナに対する放射パターンを示してある。表VIには、（図１による）８８８ＭHz付近の海水中の同じアンテナに対する放射パターンを示している。媒体が導電性と誘電性との間で遷移していると、放射パターンの進化（エボリューション）は上述した双方の場合に極めて類似していることが容易に分かる。
【００５２】
本発明では、水中媒体中の２種類のアンテナの性能を解析した。共振周波数、入力インピーダンス及び放射パターンのような主たる放射パラメータは、アンテナを配置した媒体の導電率に応じて著しく変化することが分かった。更に、放射パターンは共振周波数に応じて変化する。すなわち、淡水と海水とにおいて、媒体がアンテナの共振周波数で誘電性であるか又は導電性であるかに応じて同じ種類のアンテナが異なる放射パターンを有するようにしうる。従って、この事実を生かして、ある種の水中媒体内に配置されたアンテナの放射図の制御を、簡単な電子回路でアンテナの共振周波数を調整することにより達成するようにしうる。このことを利用して、例えば、ＡＵＶが移動するにつれ放射図を最も好適に連続調整することにより移動ＡＵＶと固定プラットフォームとの間の水中通信を改善させることができる。
【００５３】
本明細書で用いた用語“具える”は、記載した特徴、整数型（integer ）、ステップ、構成要素の存在を表すものであるが、１つ以上の他の特徴、整数型、ステップ、構成要素又はその群の存在又は追加を排除するものではない。
【００５４】
本明細書に記載した本発明のある実施例は、ファームウェアと、制御論理を有するコンピュータ使用可能媒体との双方又は何れか一方に存在するコード（例えば、ソフトウェアアルゴリズム又はプログラム）として導入し、本明細書に記載したサーバーの何れかのようなコンピュータプロセッサを有するコンピュータシステムでの実行を可能にするようにしうる。このようなコンピュータシステムは代表的に、プロセッサを構成するコードの実行からこの実行に従って出力を生じるように構成した記憶装置を含んでいる。コードはファームウェア又はソフトウェアとして構成配置しうるとともに、種々のモジュールと、個別のコードモジュール、ファンクションコール、プロシージャコール又はオブジェクト指向プログラミング環境におけるオブジェクトのような本明細書に開示したアルゴリズムとを含むモジュールの組として組織化することができる。モジュールを用いて実装する場合には、コードが単一のモジュールか又は互いに共同して動作する複数のモジュールを具えて、本明細書に記載したように関連の機能を実行するようにする機構を構成するようにしうる。
【００５５】
本発明は上述した実施例に決して限定されるべきではなく、当業者はこれらの実施例の変形に対し多くの可能性を予測するであろう。上述した実施例は互いに組合せることができる。以下の特許請求の範囲は本発明の特定の実施例を更に提示するものである。
【００５６】
以下の文献の内容は全て本明細書中に導入されるものとすべきものである。
［１］IEEE Communications Magazine vol. 48, no. 12（２０１０年号）の第１４３〜１５１頁の論文“Re-evaluation of RF electromagnetic communication in underwater sensor networks”（X. Che, I. Wells, G. Dickers, P. Kear及びX. Gong氏著）
［２］水中ネットワーク及びシステムに関する第９回ＡＣＭ国際会議ＷＵＷＮet’14, 2014 における議事録“Evaluation of IEEE 802.11 Underwater Networks Operating at 700 MHz, 2.4 GHz and 5 GHz”（F. Teixeira, P. Freitas, L. Pessoa, R. Campos及びM. Ricardo氏著）
［３］水中ネットワーク及びシステムに関する国際会議ＷＵＷＮet’15, 2015 における議事録“Evaluation of Underwater IEEE 802.11 Networks at VHF and UHF Frequency Bands using Software Defined Radios”（F. Teixeira, J. Santos, L. Pessoa, M. Pereira, R. Campos及び M. Ricardo氏著）
［４］Journal of Electromagnetic Analysis and Applications, vol. 3, no. 07（２０１１年号）の第２６１頁の論文“Electromagnetic wave propagation into fresh water”（S. Jiang及びS. Georgakopoulos氏著）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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